中国大陆及邻区GRACE卫星重力变化研究
监测地球重力场的GRACE卫星
监测地球重力场的GRACE卫星据《美国太空总署新闻》报道，美国太空署一项研究计划将再度带领人类探索重力的奥秘。
这项命名为GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)的任务，将持续５年精确记录地球重力场的变化。
预计于2001年年底前发射升空的GRACE，包含两个完全相同的卫星，这两颗卫星将在轨道上相距220公里，并且在距离地面500公里的轨道上运行。
卫星上配置的精密科学仪器，能够精确测量两颗卫星之间的距离，进而侦测出重力场的变化。
科学家指出，GRACE 所获取的资料将会彻底改变人们先前对于地球构造、海洋与气候的认知。
研究人员表示，重力有两项迷人的特质。
首先就是它的恒常性。
地球是一颗十分均匀的球体，重力几乎在各处都相同。
在地球上不同地点，你所量到的体重都差不多。
不过，如果你仔细观察，你会发现其中某些变化。
GRACE就是打算对重力场的变化进行非常高精度的测量，这样的测量对于海洋学家来说十分重要。
他们想要知道所见的海洋地形，其中有多少是由重力而非洋流塑造而成。
另一个让科学家感兴趣的特质就是，重力不是永久不变的，而是会随着时间而改变。
例如，地球极区的冰在过去比较多，这些冰的重量让地球在两极的方向较为扁平。
现在由于部分的冰融化，原本被重压的陆地反弹而上升，例如加拿大北部就正在上升中。
这使得地球变得更接近完美的球体，这点可由重力场的变化而得到印证。
因此，地球内部一些极为缓慢的变化的同时也会造成重力场发生变化。
重力随时间的变化正是GRACE所要监测的目标。
通过GRACE精确的测量，人们将能够得知地下水层的深度，并且实际看到海平面的变化。
此外，人们也将能够测量出冰层的重量。
科学家指出，这是一门全新的学科，人们正要开始发掘它的应用。
重力测绘卫星(GRACE )从3月开始，在500公里的高空，两颗相距220公里的卫星开始测量地球各地的微小重力差异，这些细微的引力变化将导致 GRACE 双星距离的变化。
利用GRACE重力卫星数据研究区域时变重力场及同震布格重力异常的变化特征
利用GRACE重力卫星数据研究区域时变重力场及同震布格重力异常的变化特征卫星重力测量技术,以其范围广、定期更新、无困难地域限制、不受天气、地形、交通等环境因素影响的优点愈来愈得到广大地学工作者的重视。
新一代重力卫星CHAMP、GRACE、GOCE等的发射,使得卫星重力技术在固体地球物理学、地质学、海洋测绘学、气象学以及空间大地测量学等学科的研究中发挥出至关重要的作用。
大地震发生时常常伴随着地球深部构造的变化以及地下介质密度的改变。
由于使用卫星重力数据所获得的时变重力场能够反映地球的深部构造特征,进一步计算得到的布格重力异常可以反映地下介质密度的不均匀变化,这使得利用卫星重力技术研究地震发生时的时变重力场及布格重力异常变化特征成为了可能。
由于龙门山断裂带地区处于青藏块体和川东块体的过渡地带且多发大震,如汶川地震和芦山地震,而尼泊尔地区处于印度洋板块和亚欧板块的过渡地带且发生尼泊尔地震,考虑到龙门山断裂带地区和尼泊尔地区均受青藏块体运动的影响,且两个地区均有大地震的频繁发生,本文计算了龙门山断裂带地区和尼泊尔地区大震发生时的时变重力场及布格重力异常变化情况,以期研究大洋板块交界带地震与大陆内部次级块体间地震的共同点及差异。
因此,本文利用卫星重力测量技术对多震区域时变重力场与布格重力异常的变化进行监测,研究了与青藏高原构造变形活动密切相关的区域的时变重力场的动态变化特征和布格重力异常的变化情况,探讨了区域构造运动与断层活动的关系。
主要工作和成果如下:(1)本文在介绍GRACE卫星重力的基础上,讨论了卫星重力数据处理的理论方法与策略,重点推导了时变重力场与布格重力异常的计算方法,包括地球重力场、滤波原理、勒让德函数、GRACE卫星计算时变重力场和布格重力异常的流程等。
(2)自主编程实现了勒让德函数标准前向列推法的计算,编写了基于GRACE月重力场模型计算时变重力场和重力异常的程序以及布格改正的程序,从而实现了对龙门山地区和尼泊尔地区时变重力场动态变化特征和布格重力异常变化的探索。
基于SLR的GRACE卫星定轨中重力场模型对轨道精度的影响
结 果 的精度 高 或相 当 ， 能 得 出 比较 符 合 实 际情 况 才
的评 定精度 。
４ １ 联合 重力 场 Ｊ ． ＧＭ 模型 序 列和 ＧＧＭ０ Ｃ模 型 ２
３ 定 轨 软 件
本 文在 进行 定轨 过程使 用 了 Ｃ Ｍ０ ＡＳ ＲＤ软件 ， 它 是 由 ＵＴＯ Ｉ 软 件演化 而来 的 ， 程 序 的文 件结 ＰＡ 该
ｔ ｄ ｉ ｅｅ ｃ ． ｕ ｅｄｆ ｒ ｎ ｅ ｆ
Ｋ ｅ ｒ ｓ Ｓ ｙｗｏ ｄ ： ＬＲ；ＧＲＡＣＥ；ｇ ａ ｉｙ ｆ ｌ ｄ ｌ ｒ ｖｔ ｉ ｄ ｍｏ ｅ ；ＣＡＳ ＯＲＤ ｅ Ｍ
航 天技 术 的迅 速 发 展 ， 卫 星 的 应 用 越来 越 广 使 泛 ， 二 十年来 ， 轨卫 星 由于特 殊 的应用 和科 研 的 近 低
定 轨精 度的影响 ； 以及重力场截断阶引起 的积分轨道差异 ； 同时 ， 将定 轨结果与采用 Ｇ Ｓ确定 的定轨结果进行 比较 ， Ｐ 分 析与 Ｇ Ｓ定轨结果 的差异 。实 验证 明 ， Ｐ 重力场模型选择 Ｇ ＧＭ０ Ｃ的定轨结果 优于选择 Ｊ ２ ＧＭ－ ３的定轨结果 ， 于 基 Ｓ Ｒ的定轨结果与采用 Ｇ Ｓ确定的定轨结果差异量级为米级 。 Ｌ Ｐ
ｌ ｌ
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ｌ初 化 始 ｌ
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况等诸 多 因素 。 定轨结 果 的外符 合精 度是 与使 用其 他方法 获得
的轨 道确定 结果 相 比， 常 要 比被 鉴 定 的轨道 确定 通
ｌ迭 ｌ 代
ｌ
ｌ 结 Ｉ 束
图 ２ ＣＡ ＭＯＲＤ程 序 的执 行 流 程 Ｓ
ｄ ｔｒ ｎ ｔｏ ｅ ｕ ｔ ｅｅ ｍ ｉｅ ｓｎ ｅ ｅ ｍｉ ａｉｎ ｒ ｓ ｌｓｄ ｔ ｒ ｎ ｄ ｕ ｉｇＧＰＳ ｏ ｂ ｔｄ ｔｒ ｉａ ｉｎ ｒ ｓ ｌｓｆ ｒｔ ｅｍ ｅｅ －ｃ ｌ ｒ ｅ ｆｍａ ｎ — ｒ ｉ ｅ ｅｍ ｎ ｔｏ ｅ ｕ ｔ ｏ ｈ ｔ ｒｓａ ｅｏ ｄ ｒｏ ｇ ｉ
中国东部GRACE全球重力场模型的精度分析
中国东部GRACE全球重力场模型的精度分析1罗佳1，宁津生2，汪海洪1，罗志才21武汉大学测绘学院(430079)2武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室(430079)E-mail: jluo@摘要：本文通过比较最新GRACE地球重力场模型EIGEN_GRACE02S与EGM96模型在中国东部区域与WDM94模型重力场参量残差的差异，分析差异产生的原因及分布，进而研究新一代卫星重力方法对于提高区域重力场模型精度的潜力以及存在的问题。
比较结果证明卫星跟踪卫星方法对于现有模型中低阶部分有明显改善。
论文还发现EIGEN模型该区域存在沿纬度方向的周期性系统误差，引起这种误差的原因值得进一步研究。
另外，论文的比较分析方法也可作为卫星重力观测标定的一种参考手段。
关键词：卫星跟踪卫星，重力场，GRACE，卫星重力标定1. 引言卫星跟踪卫星(SST: Satellite-to-Satellite Tracking)采用两颗以上卫星之间的单向或双向追踪，进而确定高精度高分辨率重力场模型的卫星重力方法。
该方法的研制始于20世纪60年代，可分为高低模式卫星跟踪卫星(SST-hl: SST in high-low mode)和低低模式卫星跟踪卫星(SST-ll: SST in low-low mode)两种模式。
由于硬件技术等方面的原因，直到CHAMP（2000）和GRACE（2002）的发射，SST方法才真正得以实施 [1]。
有关SST的原理可以参阅已有文献[1, 2, 3, 4]，在此不作赘述。
本文主要内容是研究新一代SST卫星重力场模型在中国东部的状况。
论文首先介绍目前国际上知名机构提供的SST重力场，然后就德国地学研究中心（GFZ）提供的纯粹GRACE 卫星资料解算的150阶次重力场模型EIGEN_GRACE02S [6, 7]在中国东部区域与EGM96 [8]的精度水平进行比较，以期为重力卫星结果在相关领域的使用和重力卫星资料的检核提供参考。
GRACE重力卫星研究南极冰盖质量变化的时空特征
０ 引 言
近几 年 以 来，全 球 气 候 变 暖、温 室 效 应 和 南 极冰雪融化等问 题 变 得 日 益 严 重，对 人 类 的 可 持 续发展 战 略 以 及 人 类 生 存 具 有 重 要 的 影 响［１３］， 南极冰盖 的 质 量 异 常 研 究 对 于 认 知 和 了 解 地 球 的平均海 平 面、水 循 环、温 盐 度、大 气 的 变 化，还 有其他相关问题 起 到 关 键 性 的 作 用［４］，西 南 极 冰 盖如果 全 部 消 融，会 导 致 海 平 面 上 升 ６～７ ｍ，对 人类的生 存 产 生 严 重 威 胁。 若 是 南 极 区 域 和 格 陵兰 冰 盖 完 全 融 化，全 世 界 海 平 面 上 升 ８０ ｍ，这 将 造 成 大 部 分 海 岸 城 市 淹 没 在 海 平 面 下 ［５］。
１ 犌犚犃犆犈 数据处理
（１）为 了 去 除 大 气 与 海 洋 高 频 非 潮 汐 效 应， 采用 ＧＩＡ（ＧｌａｃｉａｌＩｓｏｓｔａｔｉｃＡｄｊｕｓｔｍｅｎｔ）［１１］模 型 对 ＧＲＡＣＥ 计算结 果 进 行 ＧＩＡ 改 正。ＧＩＡ 效 应 对海水质量变 化 的 影 响 如 图 １，以 等 效 水 高 形 式 表 达 并 将 结 果 展 开 至 １００ 阶 。
及不确定性进行了 研 究，结 果 表 明 南 极 区 域 冰 盖 在２００３ 年 至２０１３ 年 期 间 存 在 着 大 幅 度 消 融 的 现 象 ，变 化 趋 势 为 －１２４±３９ Ｇｔ／ａ；ＬｏｒａｎｔＦｏｌｄｖａｒｙ 等 用 ［１０］ ＧＲＡＣＥ 卫 星 重 力 数 据 对 南 极 冰 川 质 量 变化的精度进行了 研 究，结 果 表 明 南 极 冰 川 质 量 变化的总误差为±２３．７８ｍｍ／ａ。但是，南极 区域 的冰盖质量变化在时间和空间上是否密切相关， 以及南极冰盖质量 变 化 随 着 季 节 的 变 化 情 况，缺 少相关的研究资料。
中国大陆及邻区GRACE卫星重力变化研究
。
２ ０ ０ ２年 ３月 １ ７日， 德国和美国合作， 成功发射 Ｒ Ａ Ｃ Ｅ（ Ｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｙＲ ｅ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙＡ ｎ ｄＣ ｌ ｉ ｍ ａ ｔ ｅＥ ｘ ｏ ｅ ｒ ｉ 了 Ｇ ｍ ｅ ｎ ｔ ） 重力卫星， 由此， 卫星探测地球重力场及其时
２ ０ ０ ７ ０ ９ １ ７ 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金（ ４ ０ ７ ０ ４ ０ ０ ９ ） ； 中国地震局地震研究所基金（ ２ ０ １ ２ １ ５ ０ ， Ｉ Ｓ ２ ０ ０ ７ ２ ６ ０ １ ８ ） 作者简介： 邹正波， 女， 主要从事卫星数据处理研究． Ｅ－ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｚ ｏ ｕ ｚ ｂ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ
［ ９ ］
。
对此， 重力异常误差阶方差是一个重要的地球 重力场模型精度指标。因此可通过阶方差分析得到
ｄ ｇ ｇ （ ３ ） Δ Δ ｇ＝ 月 － 背景 Δ 然而， 由于 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ卫星重力场的获取方式， 使
第 １期
邹正波等： 中国大陆及邻区 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ卫星重力变化研究
２ ５
得其在经度方向精度高于纬度方向的精度， 因此出 现轨道痕迹， 其重力变化大约为 ± ５ ０× １ ０ ｍ ｓ， 无 法提取可用的地球信号。２ ０ ０ ４年 ９月的重力异常 变化分布图中就出现 了 南 北 向 的 异 常 条 带 （ 见图 ２ ） 。如何处理这种异常条带是亟待解决的问题。
２ ４
大地测量与地球动力学
２ ８卷
地震监测中的应用技术研究， 为我国的地震监测预 报工作服务， 快速及时地发挥重力卫星在强地震检 测中的作用， 应成为卫星重力地震应用的研究重点。
适合于地震分析研究的重力场的最大阶次。重力异
GRACE卫星确定地球重力场
重力卫星 CHAMP、GRACE、GOCE
CHAMP 卫星是由德国地球科学中心 (GFZ) 独立研究也是世界上首次采用卫— 卫跟踪技术的重力卫星， 已于 2000 年 7 月 15 日成功发射， 其工作原理见图 1.5。 圆形近极轨道，轨道倾角 87°，偏心率 0.004，近地点约 470km，其主要目的： 确定全球中长波长静态重力场以及随时间变化；测定全球磁场和电场；大气和电 离层探测。为了重力场的测定，卫星上搭截两个重要设备，一是星载双频 GPS 接收机， 用以接收高轨 GPS 卫星信号以精密确定 CHAMP 卫星的轨道，二是三轴加 速度计，放置在整个卫星系统的重心处，用以直接测量出卫星的非保守力摄动， 作为磁场及大气、电离层的监测，卫星上还安装有磁力仪等其他设备，据估计， CHAMP 卫星预期反演重力场空间分辨率可达到 500km，在此分辨率下将比现有重 力场模型的精度提高 1～2 个量级，1000km 波长以上中长波大地水准面测定精度 可达到 1cm。
参考文献 [1]王正涛 李建成 姜卫平 基于 GRACE 卫星重力数据确定地球重力场模型 WHU-GM-05 [2]申文斌,王正涛,晁定波.利用卫星重力数据确定地球外部重力场的一方法 及模拟试验检验.武汉大学学报信息科学版, 2006,31(2):189~193 [3] 王正涛.卫星跟踪卫星测量确定地球重力场的理论与方法[博士论文].武 汉:武汉大学,2005 [4]周旭华,许厚泽,吴斌等.用 GRACE 卫星跟踪数据反演地球 重力场.地球物理学报,2006,49(3): 718~723 [5] 肖云． 基于卫星跟踪卫星数据恢复地球重力场的研究 ［博士论文］ ． 郑州： 信息工程大学测绘学院，２００６． [6] 许厚泽、 周旭华、 彭碧波.卫星重力测量[J].地理空间信息， 2005， 3 （1） ： 1～3
GRACE探测强地震重力变化
第30卷第2期2010年4月大地测量与地球动力学J OURNAL OF GEODESY AND GEODYNAM I CSV o.l 30N o .2A pr .,2010文章编号:1671-5942(2010)02-0006-04GRACE 探测强地震重力变化*邹正波1,2,3)罗志才1) 李 辉2,3)申重阳2,3)周 新2,3)1)武汉大学测绘学院,武汉 4300792)中国地震局地震研究所,武汉 4300713)地壳运动与地球观测实验室,武汉 430071摘 要 利用GRACE 卫星重力资料,计算中国及周缘地区重力场年变化,探讨重力场年变化特点。
对几次大地震前后重力场变化特征的分析显示,大地震前震源区附近会出现大范围正变化,震后逐渐转变为负异常,汶川M s8.0地震前后的局部重力场变化也具有相同特征。
研究结果表明,大地震对局部重力场影响明显,卫星重力具有探测强地震重力变化的能力。
关键词 GRACE 卫星;重力场;重力变化;汶川地震;地震监测中图分类号码:P315.72+6 文献标识码:ADETECT I ON OF GRAV I TY CHANGE BEFORE AND AFTERS TRONG EARTHQUAKE BY GRACEZou Zhengbo1,2,3),Luo Zh ica i 1),L iH u i 2,3),Shen Chongyang2,3)and Zhou X i n2,3)1)Schoolof G eodes y and G eo m etics ,Wuhan Universit y ,Wuhan 4300792)Institue of S eis m ology,CEA,Wuhan 4300713)CrustalM ove m ent Labora tory,Wuhan 430071AbstractAnnua l grav ity changes in Chi n a m a i n land and its v ici n ity are ca lculated fr o m GRACE data ,and thecharacter i s tics of annual changes are d iscussed .By analyzing the grav ity changes before and after severa l strongearthquakes ,the resu lts sho w that the grav ity i n the epicenter zone appears positive before the eart h quake and con -verts to negati v e a fter t h e shock .The ca lculation o f the gravity befo re and after theW enc huan earthquake sho w s the sa m e pheno m enon .It is conc l u ded that t h e reg i o na l grav ity fie l d is affected by strong earthquakes ,and g rav ity sate-l lites have t h e ability o f detecting g rav ity changes caused by strong earthquakes .K ey w ords :GRACE satellite ;grav ity fie l d ;grav ity changes ;W enchuan M s8.0earthquake ;earthquake m onito ri n g1 引言卫星重力已在海洋、水文、大地测量等诸多领域得到了广泛的应用,但在地震监测方面的应用仍处于起步阶段。
中国大陆及邻区GRACE卫星重力变化研究
关键 词 卫星重力； Ｒ Ｃ ； Ｇ Ａ Ｅ 地震 ； 重力变化 ； 高斯平滑
中图分类 号 ：３ ５ ７ ５ Ｐ １ ． Ｐ １．２ ；３２ １ 文 献标 识码 ： Ａ
ＲＥＳ ＥＡＲＣＨ Ｎ ｏ ＧＲＡ ＣＥ Ａ ＴＥＬＬＩ Ｓ ＴＥ ＧＲＡ ＶＩ ＴＹ ＣＨ ＡＮＧＥＳ Ｉ ＣＨ Ｉ Ｎ ＮＥＳ ＡＩ ＥＳ Ｍ ＮＬＡ ＮＤ ＡＮＤ ＴＳ ＶＩ ＮＩ Ｉ ＣＩ ＴＹ
未来 的地 震监 测 预报工 作 中具有 广 泛 的应 用前 景 。
利用 国际 重 力 卫 星 资 料 ， 展 Ｇ Ａ Ｅ卫 星 在 开 Ｒ Ｃ
ｍｅｔ 重力 卫星 ， ｎ） 由此 ， 星 探 测地 球 重力 场 及 其 时 卫
收 稿 日期 ：０ ７０ —７ ２ ０ － １ ９
基金项 目： 国家 自然科学基金（ ００ ０ ９） 中国地震局地震研 究所基金 （０ ２５ ，Ｓ０ ７ ６ １ ） ４ ７４ ０ ； ２ １ １０ Ｉ ０ ２ ０ ８ ２ 作者简介 ： 邹正波 ， ， 女 主要从事卫星数据处理研 究． Ｅ—ｍ ｉ：ｏｚ＠ １６ ｃｉ ａｌｚｕｂ ２ ．ｏ ｎ
文章 编号 ：６ １ ９ ２ ２ ０ ） １０ ２ －５ １ ７ — ４ （０ ８ ０ －０ ３０ ５
中 国 大 陆及 邻 区 ＧＲ Ｅ 卫 星 重 力 变 化 研 究 ＡＣ
邹 正 波 邢 乐 林 ， 李 辉 ， 康 开 轩 ４ Biblioteka ７ ３０ １ ＼ 周 新
／ ） 国地 震 局 地 震 研 究 所 ， １中 武汉
了 Ｇ Ａ Ｅ （ ｒｖ ｙ Ｒ ｃｖ ｒ Ａ ｄ Ｃ ｉ ｔ ｘｅｉ Ｒ Ｃ Ｇ ａ ｉ ｅｏｅｙ ｎ ｌ ｅ ｏｒ ｔ ｍａ Ｅ —
goce卫星重力梯度数据恢复地球重力场理论与方法
goce卫星重力梯度数据恢复地球重力场理论与方法contents•GOCE卫星及其重力梯度测量简介•地球重力场恢复理论基础目录•GOCE卫星重力梯度数据恢复地球重力场方法•重力场恢复结果评估与应用CATALOGUEGOCE卫星及其重力梯度测量简介重力场探测任务先进技术GOCE卫星任务概述GOCE卫星通过高精度的加速度计测量卫星自身受到的重力加速度变化，结合卫星的精确轨道数据，反演出地球的重力场信息。
重力梯度测量原理测量原理重力梯度的定义高精度：GOCE卫星的重力梯度数据具有极高的精度，对于地球重力场的细节特征有出色的表现力。
全球覆盖：GOCE卫星数据覆盖全球，能够一致、准确地描述地球重力场的全球分布。
多尺度特性：GOCE卫星重力梯度数据包含了从大到小的不同空间尺度的重力场信息，为地球科学研究提供了丰富素材。
以上是对GOCE卫星及其重力梯度测量的简要介绍，通过深入了解GOCE卫星的任务概述、重力梯度测量原理以及GOCE卫星重力梯度数据的特性，我们可以更好地理解和应用这些数据，为地球科学研究提供有力支持。
GOCE卫星重力梯度数据特性CATALOGUE地球重力场恢复理论基础重力场定义重力势重力加速度030201地球重力场的基本概念重力位与地球形状重力位确定方法重力位与重力加速度关系重力位与重力场的关系球谐分析重力梯度张量最小二乘方法谱方法重力场恢复的数学物理方法CATALOGUEGOCE卫星重力梯度数据恢复地球重力场方法基于Stokes定理的重力场恢复方法球谐函数展开•球谐分析是将地球重力场表示为球谐函数级数的方法。
通过将重力梯度数据展开成球谐函数，可以方便地进行重力场的频谱分析和空间分辨率研究。
球谐函数的系数可以通过最小二乘等方法进行估计，从而得到地球重力场的球谐展开表达式。
数据融合算法•为了充分利用GOCE卫星重力梯度数据和地面重力数据各自的优势，可以采用数据融合算法将两者进行融合。
常用的数据融合算法包括加权平均、卡尔曼滤波、最小二乘等。
GRACE揭示的现阶段青藏高原及邻域重力变化趋势
GRACE揭示的现阶段青藏高原及邻域重力变化趋势姜永涛;王丽美;高春春;杨九元【摘要】利用2003和2013年的GRACE月重力场模型,求算2003～2013年青藏高原及邻域的现今重力变化图像,利用该趋势图像中若干特征点上的月重力变化数据,由最小二乘拟合其长期重力变化,验证重力变化图像的可靠性,最后简要探讨青藏高原重力变化的原因.结果显示,现今青藏高原及邻域未呈现整体尺度的重力变化趋势;近年来青藏高原强震主要发生在重力变化呈现明显四象限分布特征的大型断裂带上;相对于地壳均衡效应不明显的青藏高原东缘地区,高原腹地的地壳均衡效应更加显著.【期刊名称】《地震研究》【年(卷),期】2016(039)004【总页数】5页(P574-578)【关键词】青藏高原及邻域;GRACE;重力场;地壳均衡效应【作者】姜永涛;王丽美;高春春;杨九元【作者单位】南阳师范学院环境科学与旅游学院,河南南阳473061;南阳师范学院环境科学与旅游学院,河南南阳473061;南阳师范学院环境科学与旅游学院,河南南阳473061;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】P315.726青藏高原的形成源于印度板块和欧亚板块的碰撞(Harrison et al，1992；许志琴等，1999)，由于强烈的构造运动，现今欧亚大陆90%以上的强震都发生在青藏高原及其边缘地区。
地球重力场及其变化图像一直是地震监测预报研究的基本信息源。
祝意青等(2003)利用地壳重力网1998～2000年间的两期绝对重力和相对重力观测资料，初步分析了2001年11月14日昆仑口西8.1级强震与震前青藏高原重力变化特征的关系；申重阳等(2010)研究了2008年于田MS7.3地震前重力场动态变化特征，发现此次地震孕育过程中的相关重力变化呈“增大—加速增大—减速增大”特征。
不仅大震同震过程会引起地表大的重力变化，在大震孕育过程中，断层附近地壳应力和质量的变化也会产生重力场变化信号(Li等，1997)。
基于GRACERL05数据探测汶川MS8.0地震的震前和同震重力变化
基于 GRACE RL05数据探测汶川 MS8.0地震的震前和同震重力变化摘要：利用GRACE卫星RL05月重力场模型数据，采用去相关和300km半径8.0地震的震前和同震重力变化，以及震的高斯平滑滤波，获取了2008年汶川MS中周边4个特征点的重力变化时间序列。
最后利用最小二乘拟合方法计算了震前震中附近区域的重力变化年变率。
结果表明，GRACE卫星观测到的同震重力变化约为-3~3，震前震中附近区域的重力变化率约为-1.5~1 /a；各特征点的相对重力变化总体呈“减小-增大（发震）-减小”的特点。
8.0地震；震前和同震重力变化关键词：GRACE；汶川MS0 引言8.0特大地震，研究表明，这是2008-5-12 14:28 中国四川省汶川县发生MS一次以逆冲为主、兼少量右旋走滑分量的地震，断层向西北方向倾斜，走向为229°(陈云泰等，2009)。
地震孕育过程中，震源区附近的介质密度变化和地壳形变必然会产生重力场的变化。
汶川地震发生后，许多学者基于地面重力观测数据对该地震进行了深入8.0地震做出了较好研究。
祝意青（2008,2009）利用重复地面重力资料对汶川MS的中期预测，并系统分析了区域重力场时空动态演化特征与龙门山断裂带构造活动及与汶川地震的关系；申重阳（2009）基于地面流动重力数据以及GPS等数据，分析研究了重力场动态变化特征和汶川地震孕育机理。
另外，有些学者基于GRACE卫星数据对汶川大地震进行了研究。
王武星（2010）结合区域构造运动特点和GPS位移，对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论；邹正波（2013）利用GRACE卫星资料，计算了中国大陆及周缘地区在汶川地震前后两年的重力变化；陈国雄（2012）利用小波多尺度分析方法对汶川及周边地区的GRACE卫星时变重力场进行了分解，得到了不同深度的重力场细节和逼近。
本文基于最新发布的GRACE卫星RL05数据，采用去相关和300km半径的高8.0地震的震前和同震重力变化，为研究该地震斯平滑滤波，成功提取了汶川MS孕震过程和发震机理提供了地球动力学依据。
中国大陆及邻GRACE卫星重力变化研究
中国大陆及邻GRACE卫星重力变化研究
邹正波;邢乐林;李辉;康开轩;周新
【期刊名称】《大地测量与地球动力学》
【年(卷),期】2008(28)1
【摘要】探讨如何运用GRACE数据进行重力变化的计算和分析.对GRACE重力场位系数的最大阶次选取进行了分析,并利用月卫星重力场模型计算了中国大陆及邻区的重力变化,通过平均半径为800km的高斯平滑,得出了合理的重力变化结果.【总页数】5页(P23-27)
【作者】邹正波;邢乐林;李辉;康开轩;周新
【作者单位】中国地震局地震研究所,武汉,430071;地壳运动与地球观测实验室,武汉,43007;中国地震局地震研究所,武汉,430071;地壳运动与地球观测实验室,武汉,43007;中国地震局地震研究所,武汉,430071;地壳运动与地球观测实验室,武汉,43007;中国地震局地震研究所,武汉,430071;地壳运动与地球观测实验室,武汉,43007;中国地震局地震研究所,武汉,430071;地壳运动与地球观测实验室,武汉,43007
【正文语种】中文
【中图分类】P315.72+5;P312.1
【相关文献】
1.基于GRACE卫星重力测量资料监测中国大陆及邻区陆地水储量变化 [J], 吴利平;詹军;田军锋
2.基于GRACE重力卫星数据的黄河流域水储量变化研究 [J], 李洪超;陈琳;王靖;朱曙光
3.青藏高原GRACE卫星重力长期变化研究 [J], 刘杰
4.基于GRACE重力卫星的珠江流域陆地水储量时空变化研究 [J], 熊景华;王兆礼
5.GRACE重力卫星监测煤矿开采区地下水变化研究 [J], 李舒;师鹏飞;谷晓伟;付新峰;倪深海;张楠
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GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化
GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化王武星;石耀霖;顾国华;张晶;陈石【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2010(53)8【摘要】利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊Mw9.3地震后快速下降, 2006～2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川Ms8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.【总页数】11页(P1767-1777)【作者】王武星;石耀霖;顾国华;张晶;陈石【作者单位】中国地震局地震预测研究所,北京,100036;中国科学院研究生院计算地球动力学实验室,北京,100049;中国科学院研究生院计算地球动力学实验室,北京,100049;中国地震局地震预测研究所,北京,100036;中国地震局地震预测研究所,北京,100036;中国地震局地球物理研究所,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】P228;P315【相关文献】1.汶川MS8.0地震前后的重力场动态变化 [J], 祝意青;梁伟锋;徐云马;郭树松;刘芳2.GRACE卫星观测到的尼泊尔8.1级地震前后的重力变化 [J], 瞿伟;安东东;薛康;张勤;王庆良;王栋3.利用GRACE卫星数据研究汶川地震前后重力场的变化 [J], 段虎荣;张永志;刘锋;康荣华4.GRACE卫星观测到的尼泊尔MS8.1地震震前重力场变化特征 [J], 郑增记;范丽红5.基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川M_(S)8.0地震前重力时空变化 [J], 王伟力;郑兵;舒东林;曾涛;易松泉;马伶俐;苏琴因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化
关 的 部 分 文 献 外， 涉及到的重力变化方面的较
１ ６ １ ７］ 随着资料的 累 积 增 加 以 及 数 据 处 理 技 术 的 少［ ．
提高 ， 科学家们开始关注长期重力变化方面的研究 ． 本文 使 用 的 是 Ｃ Ｓ Ｒ 发布的 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ２ （ ） 该版 Ｒ ｅ ｌ ｅ ａ ｓ ｅ ０ ４ ６ ０ 阶次的 正 则 化 月 重 力 场 模 型 ， 做 了 一 些 重 要 改 进， 因此 本 与 之 前 的 版 本 比 较， 在研 Ｇ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ 重力场 中 去 除 了 大 气 和 海 洋 的 影 响 ． 究区域 内 ， 在２ 分辨率的格网点上根据每个月 ° ×２ ° （ 共９ 重力场模型 ２ ０ ０ ２ 年 ３ 月至 ２ ０ １ ０年９月， ９ 个） 计算经３ 按公式 （ １） ０ ０ｋ ｍ 高斯平滑后的重力异常
基金项目 国家自然科学基金项目 （ ） 资助 ． ４ １ ０ ０ ４ ０ ３ ０ 作者简介 邢乐林 ， 男， 助理研究员 ， 主要从事地震重力观测与解释研究 ． ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｘ ｉ ｎ ｌ ｅ ｌ ｉ ｎ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ｇ
１ ５ ５ ８
地 球 物 理 学 报（ ） Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅＪ ． Ｇ ｅ ｏ ｈ ｓ ． ｐ ｙ
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GRACE卫星时变重力场研究的开题报告
GRACE卫星时变重力场研究的开题报告
一、研究背景
卫星重力测量是地球重力场研究的重要手段之一。
2002年3月17日，美国和德国联合发射了重力场和海洋循环卫星（GRACE），这是一套通过测量卫星间距变化来获取地球引力变化的仪器。
GRACE卫星的发射和运行使得重力场研究取得了重大的进展，特别是时变重力场的研究，因为该卫星可以测量地球相对于卫星的引力场的微小变化，从而可以估计地球重力势的时变部分。
二、研究目的
本文的研究目的是通过对GRACE卫星数据的分析，研究地球时变重力场的变化特征，并探讨有关地球内部和大气水平运动的动力学过程。
三、研究方法
本文的研究方法是基于GRACE卫星的观测数据，通过运用时间序列分析和空间分析的方法，分析地球引力场的时空变化。
四、预期结果
本文的预期结果是：
（1）分析GRACE数据所得到的时变重力势场的两个主要变化特征，如高中低频振荡和长期趋势，进一步了解地球内部和大气水平运动对地球引力场的贡献；
（2）探讨GRACE数据的时变重力势场对地理和大气物理学领域的应用；
（3）对时间序列分析和空间分析方法在地球引力场研究中的应用进行总结，为进一步研究提供思路和方法。
五、研究意义
本文的研究意义在于通过分析时变重力场的变化特征，可以更加全面地了解地球内部和大气水平运动的动力学过程，进一步促进地球物理和大气科学的发展。
此外，本文的研究还可以为相关领域的专家和学者提供参考和借鉴，推动GRACE数据在地球物理和大气科学中的应用。
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邹正波 1, 2) 邢乐林 1, 2) 李 辉 1, 2) 康开轩 1, 2) 周 新 1, 2)
1)中国地震局地震研究所 ,武汉 430071 2)地壳运动与地球观测实验室 ,武汉 430071
摘 要 探讨如何运用 GRACE数据进行重力变化的计算和分析 。对 GRACE重力场位系数的最大阶次选取进
第 1期
邹正波等 :中国大陆及邻区 GRACE卫星重力变化研究
25
得其在经度方向精度高于纬度方向的精度 ,因此出 现轨道痕迹 ,其重力变化大约为 ±50 ×10 - 5 m s- 2 ,无 法提取可用的地球信号 。 2004 年 9 月的重力异常 变化分布图中就出现了南北向的异常条带 (见图 2) 。如何处理这种异常条带是亟待解决的问题 。
Level22数据为科学数据产品 ,通过处理 Level 1B 和其他相关的数据得到 ,主要包括 GRACE卫星 的精密轨道数据 、地球重力场模型等 。
GRACE的数据处理和存档主要由 3 个研究中 心共同协作完成并发布 :美国德克萨斯大学空间研 究中心 UTCSR ( University of Texas Center for Space Research) 、美国 宇航 局喷 气推 进实 验室 JPL ( Jet Propulsion Laboratory) 和德国地球中心 GFZ ( Geo2 ForschungsZentrum Potsdam ) 。本文采用 UTCSR 发 布的从 2002年 4月至 2006年 12月共 53个 GRACE 月重力场模型计算重力变化 ,并给出重力变化分布 图。
行了系列研究 [ 14 - 18 ] ,结果表明高斯平滑能很好地抑
制 GRACE时变重力场信号中的高频成分 。高斯平
滑处理后 ,重力变化公式变为 :
dΔg
=
GM
间变化研究和应用工作在全球全面展开 [ 5, 6 ] 。美国 俄亥俄州立大学 Shin2Chan Han[ 7 ]给出了 2004年 12 月印尼 9. 1级大震的 30 ×10 - 8 m s- 2的同震重力变 化 ,和 2004年相对于 2003 年的 10 ×10 - 8 m s- 2地震 前兆重力变化 。其结果与由地震模型预测的重力变 化相当 。这一研究成果表明 ,重力卫星观测技术将 是跨越式提高强地震监测能力的有效手段之一 ,在 未来的地震监测预报工作中具有广泛的应用前景 。
行了分析 ,并利用月卫星重力场模型计算了中国大陆及邻区的重力变化 ,通过平均半径为 800 km 的高斯平滑 ,得 出了合理的重力变化结果 。
关键词 卫星重力 ; GRACE; 地震 ; 重力变化 ; 高斯平滑 中图分类号 : P315. 72 + 5; P312. 1 文献标识码 : A
RESEARCH O N CH INESES M A INLAND AND ITS V IC IN ITY
图 2 未经平滑的重力变化 (2004209) Fig. 2 Gravity changes w ithout smoothing in Sep. 2004
4. 2 数据平滑
由于 GRACE时变重力场不可避免地存在着截
断误差 ,且随阶数的增大而增大 ,计算过程中由高阶
项造成的误差也不可忽略 。因此产生了图 2中的类
1 引言
地壳内部应力应变的变化和物质密度变化 ,引 起地表重力场的变化 ,地表观测的重力变化会包含 与地震孕育发展有关信息 ,这是利用重力场变化探 索地震机理预报的基本出发点 [ 1 - 4 ] 。
2002年 3月 17日 ,德国和美国合作 ,成功发射 了 GRACE ( Gravity Recovery And Clim ate Exoeri2 ment)重力卫星 ,由此 ,卫星探测地球重力场及其时
2 数据说明
GRACE科学数据产品分为 4类 : Level20、Level2 1A、Level21B 和 Level22。 GRACE 卫星已经在轨运 行 5年 ,其相关数据产品也陆续对外公布 。
Level20数据主要是 GRACE原始数据中心对遥 感数据的探测 、收集 、转换得到的结果 。
Level21A 数据是对 Level20 数据进行非破坏性 处理所得到的结果 ,主要包括将二进制编码的测量 结果转换成工程应用单位制 ,为数据添加时间标记 、 编辑和质量控制标记 ,并重新统一数据输出格式 。
2 重力场模型最大阶数的选取
理论上 ,地球重力场模型只有在其包含从 0 到 无穷的所有阶次的球谐系数时 ,才能反映全波段的 重力场信息 [ 8 ] 。但实际上只能得到某一最大阶数 , GRACE卫星恢复的重力场只能恢复某一固定阶次 , 因此只能对部分频谱进行分析 。且 GRACE恢复的 重力场模型的阶数越大 (尤其是在 90 阶以后 ) ,其 误差也越大 。因此 GRACE科学数据中心在发布重 力场模型同时都提醒用户最好不要采用 90 阶以后 的系数 [ 9 ] 。
(2)
其中 ,Δg是重力异常 , C3lm 、Slm 是真实重力场与正常
重力场的完全规格化球谐系数之差 , Plm ( cosθ)为完
全规格化的缔合勒让德多项式 , lmax是位系数能够恢
复的最大阶数 , r是观测点到地球质心的距离 ,λ、θ
分别对应于观测点的经度和余纬 。
将 GRACE月重力场模型与 GGM02S (采用 363
对此 ,重力异常误差阶方差是一个重要的地球 重力场模型精度指标 。因此可通过阶方差分析得到
适合于地震分析研究的重力场的最大阶次 。重力异
常误差阶方差公式 [ 10 ]如下 :
σ2 l
=
GM R2
(l-
1 )σ2l0
(C)
l
+∑ m =1
GM R2
(
l
-
1)
(σ2lm
(C)
+
σ2 lm
(S) )
(1)
Level21B 数据是通过处理 Level20 和 Level21A 数据而得到的 ,它被标上了统一的正确时间 ,数据采 样率也有所降低 , Level21B 数据提供了计算地球重 力场模型以及研究重力场时变所必需的数据 ,主要 包括 :星象仪数据 、星载加速度计数据 、K波段测距 系统数据和 GPA 精密轨道数据 。Level21B 数据也 可用于 GRACE卫星精密轨道确定 。
GGM02S重力场模型作为重力变化计算的背景场 , 该模型是利用从 2002年 4月到 2003年 12月的 363 天 GRACE观测数据解算得到的地球重力场模型 。 与当前 国 际 公 认 的 EGM96 重 力 场 模 型 相 比 较 , GGM02S计算的重力异常结果与 EGM96 的结果在 同一量级 (几十 10 - 5 m s- 2 ) 。
Zou Zhengbo1, 2) , X ing L elin1, 2) , L i Hui1, 2) , Kang Kaixuan1, 2) and Zhou X in1, 2)
1) Institue of S eism ology, CEA, W uhan 430071 2) C rusta l M ovem en t L abora tory, W uhan 430071
其中 GM 为地球引力常数 ; R 为地球参考半径 , l、m
分别对应为重力场模型位系数的阶次 。
为进行地震研究 ,重力场的最大阶次的选取 ,必
须满足累计重力变化的精度不低于 20 ×10 - 8 m s- 2
的条件 [ 10 ] 。现分别对 GRACE 的 53 个月重力场模
型和 GGM02S进行计算 ,得到每个模型的重力异常
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24
大地测量与地球动力学
28卷
地震监测中的应用技术研究 ,为我国的地震监测预 报工作服务 ,快速及时地发挥重力卫星在强地震检 测中的作用 ,应成为卫星重力地震应用的研究重点 。
利用 53 个 GRACE 月地球重力 场模 型 , 选 择 GGM02S作为背景场 ,通过差分 、平滑处理 ,得到月 重力变化 ,然后对月变化结果进行平均计算 ,得到的 每季度 、每半年 、每年的重力异常 。图 4从左到右依 次为 2002年 、2003 年 、2004 年 、2005 年和 2006 年 , 从上到下分别代表春夏秋冬 4个季度的重力异常变 化。
A bstra c t It is introduced how to use GRACE data to compute the gravity changes. The maximum truncated
degree of the monthly GRACE gravity field models for seismological research is discussed as well. W e try to use the GRACE level 2 p roducts to calculate the gravity changes in Chinaese m ainland and its vicinity w ith Gaussian smoot2 hing method and get reasonable results. Key words: satellite gravity; GRACE; earthquake; gravity changes; Gaussian smoothing
利用国际重力卫星资料 ,开展 GRACE 卫星在
3 收稿日期 : 2007209217 基金项目 :国家自然科学基金 (40704009) ;中国地震局地震研究所基金 (2012150, IS200726018) 作者简介 :邹正波 ,女 ,主要从事卫星数据处理研究. E - mail: zouzb@126. com